Разработка технологического процесса термической обработки стали

Размещено на http://allbest.ru

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Аналитический обзор с обоснованием выбора стали и характеристикой ее свойств

2. Разработка технологического процесса термической обработки стали

Выводы

Список использованной литературы

сталь вал привод термическая обработка оборудование нефтегазопереработка



Введение

Цель данной работы - Выбрать сталь для изготовления валов приводов оборудования нефтегазопереработки диаметром d=40 мм. и должна иметь твердость HRC 45-50. Указать: состав и марку выбранной стали; рекомендуемые режимы термической обработки; структуру после каждой операции термической обработки; механические свойства в готовом изделии. Можно ли применять углеродистую сталь обыкновенного качества для изготовления валов требуемого сечения и прочности?

В связи с увеличением производительности нефтеперерабатывающих и газоперерабатывающих производств происходит увеличение задействованного в технологических процессах динамического оборудования, в частности насосного. Насосы (Рис.1) представляют собой агрегаты, предназначенные для работы с нефтепродуктами вроде мазута, сжиженным углеродным газом и жидкостями с высоким уровнем вязкости. Именно они выполняют функцию перекачки, при этом обеспечивая высокие показатели надежности и эффективности.

Рис. 1 Насос для нефтепродуктов КММ-Е 150-125-250

Валы (Рис.2) несут на себе все вращающие части насосов. К изготовлению валов предъявляют высокие требования. Посадочные места валов под рабочие колеса необходимо выполнять по второму классу точности под плотную или напряжённую посадку. Для валов диаметром 50-80 мм. При плотной посадке точность их изготовления составляет ±0,01мм., при напряжённой посадке - от +0,023 до +0,025 мм.

Одним из условий длительной эксплуатации вала, улучшения работы насоса является соответствующий термическая обработка вала. В ТУ для шеек валов наиболее часто применяется твердость HB = 240-280 единиц.

В ремонтных цехах нефтеперерабатывающих заводов в отсутствие необходимых условиях для термообработки допускается изготовление валов без нее. Практика показала возможность довольно длительной (в течении года) эксплуатации валов насоса, не прошедших термической обработки.

Рис. 2 Центробежный консольный насос - устройство.

Наиболее вероятными дефектами валов являются искривление, износ шеек и резьбы, а также поломка.

Искривление валов обычно происходит в результате выхода из строя подшипников или задевание частей ротора за неподвижные детали насоса. К изгибу вала приводит, кроме того, значительная и продолжительная вибрация насоса независимо от вызвавшей ее причины.

Износ шеек валов происходит из-за выработки и выхода из строя подшипников скольжения или качения, а также в результате коррозионных оспин, появление рисок и надиров при попадании мелких посторонних частиц во вкладыши подшипников вместе со смазкой.

Шейка вала, работающего в подшипниках скольжения, чаще всего вырабатывается неравномерно: в продольном сечении она принимает форму конуса, а в поперечном - эллипса. Шейка вала, работающего в подшипниках качения, быстро изнашивается при проворачивании внутренней обоймы подшипника на валу вследствие прослабления при изготовлении или выработки посадочных мест в процессе эксплуатации насоса.

Износ резьбы особенно часто наблюдаются на валах горячих насосов в местах сопряжения с защитными гильзами. Причинной этого является сборка резьбовых соединений без смазки их сухим графитом.

Поломки валов. Как правило, поломки валов происходит в местах перехода вала с диаметра посадочного места под защитную гильзу на диаметр шейки и объясняется концентрацией местных напряжений, особенно при передачи крутящего момента, значительно превышающий допустимый, или при воздействии на вал знакопеременной нагрузки.

Поломке вала обычно предшествует его искривление. Причины поломок вала те же, что и причины, вызывающие его изгиб. На изломе вала обычно ясно видно постепенное развитие в материале трещины, появившейся вследствие возникновения в вале напряжений, превышающих предел усталости.

Причиной выхода из строя часто заключается в его проворачивании во внутренней обойме подшипника качения. При поломках валов основную роль играет деформация скручивания.



1. Аналитический обзор с обоснованием выбора стали и характеристики ее свойств

Основными критериями работоспособности валов является жесткость, объемная прочность и износостойкость при относительных микроперемещениях, которые вызывают коррозию.

В качестве материала для валов чаще всего применяют углеродистые и легированные стали (прокат, поковка и реже стальные отливки), так как они обладают высокой прочностью, способностью к поверхностному и объемному упрочнению, легко получаются прокаткой цилиндрические заготовки и хорошо обрабатываются на станках, а также высокопрочный модифицированный чугун и сплавы цветных металлов (в приборостроении). Для неответственных малонагруженных конструкций валов применяют углеродистые стали без термической обработки. Ответственные тяжело нагруженные валы изготовляют из легированной стали 40ХНМА, 25ХГТ и др. Без термической обработки применяют стали 35 и 40, Ст5, Ст6, 40Х, 40ХН, ЗОХНЗА, с термической обработкой - стали 45, 50 и др.

Рассмотрим марки стали их применение в нефтегазовой промышленности.

Конструкционная сталь применяется для изготовления деталей машин, механизмов и металлических сооружений.

По химическому составу конструкционная сталь делиться на углеродистую, низколегированную и легированную. В зависимости от способа производства она делится на сталь обыкновенного качества, качественную и высококачественную.

Углеродистую сталь обыкновенного качества изготовляют следующих марок: Ст0, Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп, Ст2кп, Ст2пс, Ст2сп, Ст3кп, Ст3пс, Ст3сп, Ст3Гпс, Ст3Гсп, Ст4кп, Ст4пс, Ст4сп, Ст5пс, Ст5сп, Ст5Гпс, Ст6пс, Ст6сп и т. д.

Стали марки Ст1 применяются в нефтяном машиностроении для изготовления неответственных деталей: простые стойки и опоры, шайбы, прокладки, рамы и т. д.

Сталь марки Ст2 применяется для изготовления различного рода фланцев, заклепок, анкерных болтов и т. д.

Широка распространена сталь Ст3. Из стали этой марки можно изготовлять такие сварные и штампованные изделия, как рамы, каркасы, салазки тяжелого нефтепромыслового оборудования, основания (блоки), шкивы, заглушки, крышки грязевых насосов, стойки, кронштейны, корпуса редукторов и т. д.

Из стали марки Ст4 изготавливают вкладыши установок разведочного бурения, крюки, тяги, шатуны, клинья и т. д.

Из стали марок Ст5 и Ст6 изготавливают многие детали нефтепромыслового оборудования. Так из стали марки Ст5 изготавливают кожухи глубинных насосов, соединительные муфты буровых установок, пальцы, втулки, плашки зажимов и т. д.

Из стали марки Ст6 изготавливают детали, требующие более высокой прочности, например, промежуточные валы, штропы, ролики в передвижных агрегатах, втулки, штифты, упорные винты и т. д.

Следует помнить, что оборудование и аппаратура нефтеперерабатывающей отрасли, в целом ряде случаев, работает при давлениях, подвергаясь как высоких, так и низких температур, а температура является одним из основных факторов, влияющих на механические свойства стали. Как известно, значительное повышение температуры ведет к резкому понижению характеристик прочности стали. Пластичные свойства стали при этом, наоборот, повышаются.

Углеродистая конструкционная качественная сталь.

Качественными углеродистыми сталями являются стали марок: Сталь08; Сталь10; Сталь15; Сталь78; Сталь80; Сталь85 и др. Также к этому классу относятся с повышенным содержанием марганца (Mn -- 0.7-1.0 %): Сталь 15Г; 20Г … 65Г, имеющие повышенную прокаливаемость.

Малоуглеродистая сталь марок 0,5, 0,8 и 10 характеризуется высокими пластическими свойствами и применяется преимущественно для изготовления изделий холодной штамповкой, высадкой и волочение. Кипящая сталь этих марок используется главным образом для изготовления листов, ленты, труб и проволоки.

Сталь марок 15, 20 и 25 применяются для изготовления деталей, требующих большой вязкости и не подвергающих при эксплуатации высоким напряжениям. В частности, эта сталь применяется для изготовления неогеновой аппаратуры нефтеперерабатывающих заводов реакционных камер, эвапораторов, ректификационных колонн, газосепараторов и т. д.

Сталь марок 30 и 35 применяется для изготовления штропов для вертлюгов, крюков и элеваторов, подъёмных крюков, осей, лопастей глиномешалок, фланцев, валиков, установочных колец, деталей буровых лебедок и т. д.

Сталь этих марок рекомендуется также для изготовления некоторых деталей оборудования нефтеперерабатывающих заводов: шатунных болтов, валов паровых частей насосов, поршневых штоков, валов центробежных насосов, болтов, запорных элементов арматуры, работающей при температуре до 300° С в некоррозионной среде, предназначенных для работы с некоррозионной нефтью и ее продуктами.

Сталь марок 40 и 45 применяются для изготовления муфт насосных штанг, валов центробежных насосов, компрессоров, роторов, штоков грязевых насосов, корпусов колонковых долот, пальцев крейцкопфов грязевых насосов, конических шестерен, цапф и т. д.

Сталь марок 50 - 70 обладает высокой прочностью и высокими упругими свойствами и применяться для изготовления спиральных пружин лебедок, вертлюгов, пружинных шайб и колец, клапанных пружин и др.

Применение углеродистой конструкционной стали в нефтяной, нефтехимической и газовой промышленности, ограничено узкой областью рабочих температур и, кроме того, низкой коррозионной стойкостью.

В связи с этим, детали оборудования и аппаратуры, работающие в агрессивных средах, а также при температурах выше 475 - 500°С должны изготавливаться из легированной стали.

Легированная конструкционная сталь.

В качестве легирующих могут применять такие добавки, как хром, никель, кремний, марганец, молибден, вольфрам, ниобий, бор, медь, азот (в химически связанном состоянии), ванадий, титан и др.

Легированные конструкционные стали: 15Х, 20Х, 30Х, 35Х, 38ХА, 40Х, 45Х, 50Х, 18ХГТ, 38ХН3МФА, 30ХГСА, 03Х13АГ19, 110Г13Л, 18Х2Н4МА и др.

Сталь марок 15Х и 20Х применяются преимущественно для изготовления цементируемых деталей, например, колоколов и метчиков ловильных для бурильных труб, различного рода шестерней, валиков, осей, поршневых вальцов, муфт, фланцев, тарелок клапанов грязевых насосов, звездочек цепных передач буровых установок, работающих при высоких нагрузках и большой скорости, зубчатых колес буровых установок и т. д.

Сталь марок 30Х и 50Х применяются преимущественно в улучшенном состоянии. Хромистая сталь марок 30Х - 50Х широко применяется в нефтяной, нефтехимической и газовой промышленности. Так, из стали марок 30Х и 35Х изготавливают шпильки и болты фланцевых соединений установок нефтеперерабатывающих заводов, где температура среды не выше 450°С при открытых фланцах и 400°С - при изолированных. Сталь марки 38ХА применяется для изготовления деталей турбобуров, корпусов, ниппелей, переводников, валов. Сталь марки 40Х и 45Х - для изготовления сильно нагруженных валов, штоков насосов и задвижек, работающих при температуре не выше 450°С в не коррозионной среде, для высоконагруженных болтов шпилек, для валов центробежных насосов.

Часто детали нефтепромыслового оборудования из стали марок 40Х и 45Х (например, цилиндрическая поверхность на рабочем участке штоков поршня грязевых насосов, валы, звездочки и зубчатые колеса буровых установок, пальцы шарниров.) подвергаются поверхностной закалке с нагревом токами высокой частоты.

В нефтяном машиностроении сталь 40ХФА применяется для изготовления полумуфт, муфт ограждения, сухарей, трубных ключей, нагруженных валов, штоков для насосов, задвижек, работающих при температуре не выше 450°С в неагрессивных средах, нагруженных пружин для насосов, амортизаторов и предохранительных клапанов, работающих при температуре до 350°С.

Сталь марки 12ХН2 является цементуемой, применяется для изготовления метчиков и колоколов для ловильных работ в бурении, плашек труболовок, поршневых пальцев крупных компрессоров, валов, соединительных зубчатых муфт, звездочек, тяжелонагруженных и быстроходных зубчатых передач буровых установок, собачек роторных клиньев, валиков и втулок роликовых цепей и т. д.

Сталь марки 40ХН широко применяется в нефтяном машиностроении для изготовления наиболее ответственных деталей - особо нагруженных подъемных, трансмиссионных и промежуточных валов, зубчатых соединительных муфт, звездочек цепных передач, пластин и роликов втулочно - роликовых цепей, осей талевых блоков, стволов вертлюгов, защелок и осей элеваторов.

В нефтяном машиностроении сталь 18ХГТ применяется для изготовления ответственных высоконагруженных деталей: валов, шестерен коробок передач, осей, червяков, кулачковых муфт и т. д.

Для изготовления деталей толщиной до 50 - 70 мм вместо хромоникелевой стали может применяться хромомарганцевокремнистая сталь марок 20ХГС - 35ХГС. Эти стали применяться для изготовления высоконапряженных крепежных деталей, работающих при температуре до 400°С, клапанных пружин компрессоров, валиков, осей, кулачков соединительных муфт и зубчатых колес буровых установок, роликов втулочно - роликовых цепей, штропов элеваторов и других деталей нефтезаводского и нефтепромыслового оборудования.

Высоколегированная сталь.

Высоколегированные стали-- это сплавы, в которых массовая доля легирующих добавок превышает 10%. Примеры: 8Х18Н10Т, 07Х16Н4Б, ХН65МВ и др.

Аппаратура нефтехимических и нефтеперерабатывающих заводов работает в очень тяжелых условиях, подвергается воздействию высокоагрессивных рабочих сред при высоких температурах и давлениях.

Поэтому сталь, применяемая для изготовления аппаратуры, должна обладать высокой сопротивляемостью коррозии, окалинстойкостью и жаропрочностью. Кроме того, сталь должна иметь достаточно высокие механические и технологические свойства и прежде всего хорошо свариваться, так как почти вся аппаратура выполняется сварной, исключая группу кованых аппаратов, работающих при высоком давлении.

Наиболее полно требуемые свойства удовлетворяются высоколегированной сталью с особыми физико - химическими свойствами (нержавеющие, окалинстойкие, кислотостойкие и жаропрочные стали). Из этих сталей в настоящее время изготовляют всю наиболее ответственную нефтезаводскую и нефтехимическую аппаратуру.

Сталь марок 1Х13 и 2Х13 применяется для изготовления штоков, валов, втулок горячих центробежных и поршневых насосов, уплотнительных колец, арматуры, крепежных изделий и внутренних устройств аппаратуры переработки горячих агрессивных сернистых нефтей.

Сталь марки 3Х13 служит для изготовления пружин предохранительных клапанов т уплотнительных колец арматуры.

Сталь марки 4Х13 используется для изготовления деталей машин и приборов, работающих на износ при высоких нагрузках воздействии коррозионной среды.

Сталь марок Х25 и Х28 применяется для изготовления конусных топок, работающих под давлением, насадок для нефтяных форсунок, чехлов термопар, порогов топок и других печных деталей.

Сталь марки Х18Н9Т применяется для изготовления деталей насосов и арматуры, работающих при температуре до 650°С, для крепежных деталей внутренних элементов колонн и машин, соприкасающихся с агрессивной горячей сернистой нефтью.

Наряду с хромоникелевой нержавеющей сталью для изготовления деталей нефтезаводского и нефтехимического оборудования применяется также сталь более сложного состава.

Присадка в хромоникелевую сталь молибдена увеличивает химическую стойкость стали по отношению к растворам, содержащим ионы хлора и к неокислительным средам (горячие растворы сернистой кислоты, фосфорная и уксусная кислота при кипении и др.).

Молибден, помимо общего увеличения химической стойкости стали, снижает также склонность последней к межкристаллитной коррозии, но не устраняет ее полностью. Поэтому, кроме молибдена в сталь вводят титан.

Хромоникельмолибденовая нержавеющая сталь марки Х17Н13М2Т применяется для облицовки и изготовления элементов нефтезаводской и нефтехимического оборудования, соприкасающихся со слабыми кислотами.

Необходимо иметь в виду, что хромоникелевые и хромоникельмолибденовые нержавеющие стали аустенитного класса отличаясь высокой коррозионной стойкостью в ряде агрессивных сред нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности содержит большое количество остродефицитных элементов (никеля, молибдена, ниобия и др.). Поэтому применения этих сталей не всегда экономически целесообразно.

Повышение окалиностойкости достигается, в основном, введением в сталь хрома, алюминия и кремния, образующих при нагреве плотные оксидные пленки (Cr, Fe)₂O₃; (Al, Fe)₂O₃ и другие, защищающие основной металл от окисления.

Таблица 1.

Рекомендуемые материалы для изготовления валов, режимы их ТО и ХТО и механические характеристики после ТО и ХТО

Для обеспечения основных требований необходимо применять материал, обеспечивающий высокий уровень: жесткости; износостойкости; циклической прочности.

Проанализировав теоретический материал и руководствуюсь таблицей 1. считаю, что для изготовления валов нефтегазоперерабатывающего оборудования подойдут стали марки Ст. 35, Ст. 40, Ст. 45 и легированные, в основном хромистые стали марки 40Х, 50 Х, 1Х13, 2Х13 и 3Х13.

Рассмотрим подробнее стали марки Ст. 45, Ст. 35ХГСА и их химические, технологические и механические свойства.

Ст. 45 (Заменители: 40Х, 50Г2, 50) Сталь конструкционная углеродистая качественная. Применение: используется для изготовления улучшаемых, нормализованных, с поверхностной обработкой деталей повышенной прочности - распределительные/ коленчатые валы, кулачки, цилиндры, бандажи, шпиндели, шестерни, вал-шестерни, другие изделия.

Таблица 2.

Химический состав в % материала Ст. 45

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Cu	As
0.42 - 0.5	0.17 - 0.37	0.5 - 0.8	до 0.3	до 0.04	до 0.035	до 0.25	до 0.3	до 0.08

Таблица 3.

Технологические свойства материала Ст. 45.

Свариваемость:	трудносвариваемая.
Флокеночувствительность:	малочувствительна.
Склонность к отпускной хрупкости:	не склонна.

Таблица 4.

Механические свойства при Т=20^oС материала Ст. 45.

Сортамент	Размер	Напр.	?в	?T	?5	?	KCU	Термообр.
-	мм	-	МПа	МПа	%	%	кДж / м2	-
Трубы, ГОСТ 8731-87			588	323	14
Пруток калиброван., ГОСТ 10702-78			590			40		Отжиг
Прокат, ГОСТ 1050-88	до 80		600	355	16	40		Нормализация
Прокат нагартован., ГОСТ 1050-88			640		6	30
Прокат отожжен., ГОСТ 1050-88			540		13	40
Лента отожжен., ГОСТ 2284-79			440-690		14
Лента нагартован., ГОСТ 2284-79			690-1030

Температура критических точек материала Ст. 45. Ac1 = 730, Ac3(Acm) = 755, Ar3(Arcm) = 690, Ar1 = 780.

Ст. 35ХГСА (Заменители: 30ХГС, 30ХГСА, 30ХГТ, 35ХМ) Сталь конструкционная легированная. Применение: фланцы, кулачки, пальцы, валики, рычаги, оси, детали сварных конструкций и другие улучшаемые детали сложной конфигурации, работающие в условиях знакопеременных нагрузок.

Таблица 5.

Химический состав в % материала 35ХГСА.

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Cu
0.32 - 0.39	1.1 - 1.4	0.8 - 1.1	до 0.3	до 0.025	до 0.025	1.1 - 1.4	до 0.3

Таблица 6.

Технологические свойства материала 35ХГСА.

Свариваемость:	ограниченная.
Флокеночувствительность:	чувствительна.
Склонность к отпускной хрупкости:	склонна.

Температура критических точек материала 35ХГСА. Ac1 = 760 ^oC, Ac3(Acm) = 830 ^oC, Ar3(Arcm) = 705 ^oC, Ar1 = 670 ^oC.

Таблица 7.

Механические свойства стали 35ХГСА

ГОСТ	Состояние поставки, режим термообработки	Сечение, мм	КП	у0,2 (МПа)	ув(МПа)	д5 (%)	ш %	KCU (кДж / м2)	HB, не более
ГОСТ 4543-71	Изотермическая закалка при 880 °С в смеси калиевой и натриевой селитры, имеющей температуру 280-310 °С, охлаждение на воздухе	Образцы		1270	1620	9	40	39
ГОСТ 8479-70	Поковки. Закалка. Отпуск	100-300	490 540	490 540	660 690	13 13	40 40	54 49	212-248 223-262
		До 100	590 640	590 640	730 780	14 13	45 42	59 59	235-277 248-293



2. Разработка технологического процесса термической обработки стали

Основными параметрами материала для изготовления вала, являются прочность, достаточная вязкость, и сопротивление усталости. В связи с этим материал должен иметь большой запас прочности и высокий предел выносливости.

Термическая обработка валов преследует три цели:

1) увеличение прочности;

2) повышение износостойкости шеек, работающих в условиях трения и износа;

3) увеличение усталостной прочности, т. е. способности выдерживать большое число нагружений без поломок.

Улучшение стали - комплекс операций по проведению термической обработки, в который включены закалка и высокий отпуск.

В результате закалки сталь обычно приобретает микроструктуру мартенсита (с некоторым количеством остаточного аустенита). Иногда в стали после закалки может получаться структура сорбита. Так как мартенсит обладает высокой твердостью и прочностью, имеет низкую пластичность, то механическая обработка его затруднена, к тому же вероятно разрушение из-за хрупкости.

В процессе термического улучшение стали отпуск приводит к распаду мартенсита закалки и образованию сорбита отпуска, вследствие чего уменьшаются внутренние напряжения в стали.

Целью поверхностной закалки является повышение твердости, износостойкости и предела выносливости стальных изделий. Это достигается нагревом на заданную глубину только поверхностного слоя, который при последующем охлаждении закаливается. Сердцевина изделия остается незакаленной, сохраняя достаточно высокие пластичность и вязкость, а следовательно, будет хорошо воспринимать динамические нагрузки.

Наиболее удовлетворительные результаты (отсутствие или малая величина коробления) дает термообработка валов на высокочастотных закалочных установках.

Закалка вала токами высокой частоты позволяет подвергать термической обработке каждый его участок, придавая нужную в каждом отдельном случае твердость (в пределах HRC = 40 - 50).

Нормализационный отжиг (нормализация) применяют как промежуточную операцию для смягчения стали перед обработкой резанием и для общего улучшения ее структуры перед закалкой. При нормализации доэвтектоидную сталь нагревают до температур А₃ + (30 - 50 °С) и заэвтектоидную А_ст + (30-50 °С) и после выдержки охлаждают на спокойном воздухе.

Ускоренное по сравнению с отжигом охлаждение обуславливает несколько большее переохлаждение аустенита, поэтому при нормализации получается более тонкое строение эвтектоида (тонкий перлит или сорбит) и более мелкое эвтектоидное зерно.

Прочность стали после нормализации несколько выше, чем после отжига. В заэвтектоидной стали нормализация устраняет грубую сетку вторичного цементита. При нагреве выше точки А_ст вторичный цементит растворяется, а при последующем ускоренном охлаждении на воздухе не успевает образовать грубую сетку, понижающую свойства, стали.

2.1 Технологический процесс термической обработки стали марки 45

Для изготовления валов приводов оборудования нефтегазпереработки выбрана конс- трукционная качественная углеродистая сталь марки 45 Согласно типовым режимам термической обработки сталей, таблица 1. Улучшение; поверхностная закалка с нагревом ТВЧ; низко -температурный отпуск.

Улучшение комплексная термическая обработка металлов, включающая в себя закалку и последующий высокий отпуск.

Закалка - широко распространенная технология термообработки стальных изделий. Суть ее состоит в разогреве металла так, чтобы его температура достигла критическую отметку, при которой происходит изменения кристаллического строения либо начинает протекать процесс растворения фазы в матрице, сформировавшейся при низких температурных показателях детали. После этого металл резко охлаждается. В результате сталь обретает микроструктуру игольчатого типа, получившую название мартенсит. Благодаря данному явлению твердость сплава возрастает и увеличивается его износостойкость.

Основными критериями, на основе которых режимы закалки подразделяются на виды, являются температура разогревания и скорость протекания техпроцесса. Имеются также отличия по таким параметрам, как: временной интервал выдержки при определенных температурных показателях; скорость процедуры охлаждения.

Полной закалкой обрабатывается сталь доэвтектоидная. Ее разогревают так, чтобы конечная температура превысила на 30°-50° критическую точку Ac3. Тогда смесь феррита с цементитом полностью трансформируется в аустенит. При дальнейшем охлаждении образуется, преимущественно, мартенситная структура. В рассмотренной стали 45 температура кретической точки равна 755 ⁰С принимаем температуру закалки в пределах 785…805 ⁰С.

Рисунок 3. Диаграмма состояний железо-углерод

Общая продолжительность нагрева, т. е. общее время пребывания изделий в нагревающей среде t_общ, состоит из двух слагаемых - времени нагрева до заданной температуры t_н и времени выдержки при этой температуре t_в: t_общ = t_н + t_в;

Время выдержки при заданной температуре t_в можно упрощенно принять равным 1 мин для углеродистых сталей и 1,5 - 2 мин для легированных сталей. При нагреве крупных деталей (когда время нагрева до заданной температуры t_н значительно больше, чем 1-2 мин), величиной t_в можно пренебречь: t_н = a*D, где а - коэффициент, определяемый экспериментально (примем для электропечи 800 40 - 50), сек/мм; D - диаметр изделия в мм.

Время нагрева вала диаметром 40 мм будет t_общ - 2000 сек или примерно 33 минуты.

Высокотемпературный отпуск - проводят при температурах 500 - 680 °C. При этом остаётся высокая прочность и пластичность, а также максимальная вязкость. Высокому отпуску подвергают детали, воспринимающие ударные нагрузки.

Требуется установить режим отпуска (температуру и время выдержки) закаленной стали ст. 45 для получения твердости HRC40 (Рисунок 4). Температура 500 ⁰С и время 35 минут. С последующим ускоренным охлаждением в масле, для предотвращения образования обратимой отпускной хрупкости. Такая температура соответствует высокому отпуску. В конечном итоге, получается структура сорбит отпуска, представленная на рисунке 5.

Рисунок 4. Номограмма для определения режима высокотемпературного отпуска (А. П. Гуляев)

Рисунок 5. Структура сорбита отпуска.

Термообработка металла токами высокой частоты. Необходимость данной термической обработки заключается в придании твердости металлу исключительно на поверхности, нет необходимости нагревать металла внутри. Металл в процессе эксплуатации работает на трение, кручение, изгиб и прочее. Посредством закалки происходит, нагрев металла на поверхности до определенной температуры, впоследствии быстро охлаждается, в итоге металл внутри сохраняет свои первичные свойства, а на поверхности он упрочняется и становится более износостойким.

Термическая обработка при помощи эффективного прогрева высокочастотными токами, придает детали износоустойчивость к трению, сгибанию и истиранию. Поэтому такой способ закалки применяют в массовом производстве, как один из самых оптимальных, который может придать различную степень твердости.

Необходимую деталь размещают в поле электромагнитного воздействия, непосредственно в индуктор, который представляет из себя изделие из медной трубки. Такая трубка выполнена по индивидуальной форме в соответствии с обрабатываемой деталью, при этом индукция производится переменными высокочастотными токами. Такие токи продвигаются к поверхности металла, благодаря появившимся внутри переменным магнитным токам. Выполняется активный прогрев верхних слоев металла, за счет высокой плотности индуктируемых токов.

Индукционная закалка (Рисунок 6) имеет два характерных параметра - это глубина и твердость обрабатываемого слоя материала. Чтобы получить тонкий слой закалки на поверхности изделия, применяется нагреватель с индуктором, мощностью от 40 кВА до 160 кВА и частотой 20 - 40 кГц, или же от 40 - 70 кГц. При закалке слоев с более глубоким проникновением, необходима частота 6 - 20 кГц.

Рисунок 6. Поверхностная закалка ТВЧ.

Выбор минимальных продолжительностей нагрева в соответствии с приведенными положениями позволяет рекомендовать следующее минимальное время нагрева до 1000°С (Таблица 8).

Таблица 8.

Время нагрева ТВЧ.

Диаметр заготовок в мм	20	24	30	36	40
Минимальное время нагрева до 1000°С в сек	2,5	3	5	9	12,5

ТВЧ образуется мелкоигольчатый или бесструктурный мартенсит из-за кратковременности нагрева и более мелкого размера зерна аустенита.

Низкотемпературный отпуск - отпуск мартенсита на низких температурах (180--250°С). Применяется после закалки для сталей после закалки ТВЧ для изготовления деталей, работающих на износ, от которых требуется высокая твёрдость. Цель низкого отпуска - уменьшение остаточных закалочных напряжений. Температуру низкого отпуска выбирают такой, чтобы твёрдость и износостойкость практически не снижалась. Выдержка при температуре низкого отпуска обычно превышает 1…3 часа. При низком отпуске в результате частичного распада мартенсита закалки образуется мартенсит отпуска, в котором наблюдается перераспределение углерода с начальным образованием карбидов. При этом практически не снижается твердость и износостойкость, но снимается часть закалочных напряжений и снижается хрупкость. Низкий отпуск применяется для режущих инструментов и деталей, подвергнутых поверхностной закалке, а также цементированных деталей. Для стали марки ст. 45 время для температуры 300 ⁰С возьмем 2 часа из значений, приведённых в таблице 2.1 книги В. В. Уваров, В. С Уварова «Термическая обработка стальных деталей машин, инструментов и отливок».

2.2 Технологический процесс термической обработки стали марки 35ХГСА

Технологический процесс состоит из объемной закалки и низкотемпературного отпуска.

Изотермическая закалка. Такая закалка также сходна со ступенчатой. Температура горячей среды, как и при ступенчатой закалке, устанавливается выше температуры начала мартенситного превращения. Однако в отличие от ступенчатой здесь выдержка в горячей среде более длительная. В результате образуется уже не мартенсит, а структура промежуточного типа, известная под названием бейнита (Рисунок 7). Кроме бейнита, в структуре сохраняется еще остаточный аустенит. В связи с этим, хотя сталь и не будет обладать такой высокой твердостью, как при закалке на мартенсит, однако в ней будут сочетаться достаточно высокая прочность и вязкость, что обеспечивает хорошие эксплуатационные свойства. Изотермическую закалку применяют преимущественно для легированных сталей.

Рисунок 7. Структура бейнита под микроскопом.

Температура закалки t⁰C = Ac3 + (30…50) ⁰C = 830 + (30…50) ⁰C = 860…880 ⁰C. Время нагрева вала диаметром 40 мм будет tобщ - 2000 сек или примерно 33 минуты.

В качестве охлаждающей среды при ступенчатой и изотермической закалке чаще применяют расплавленные соли в интервале температур 150-500 ⁰С, например, 55% KNO₃ и 45% NaNO₂ (или NaNO₃), а также расплавленные щелочи (20% NaOH и 80% КОН). Чем ниже температура соли (щелочи), тем выше скорость охлаждения в ней. Поскольку расплавленные соли охлаждаются только вследствие теплоотдачи, то охлаждающая способность их возрастает при перемешивании. Добавление воды (3-5%) в расплавы едких щелочей, при погружении в них нагретого для закалки изделия, вызывает кипение и увеличение скорости охлаждения в области температур перлитного превращения. Скорость охлаждения возрастает при 400-450 ⁰С в 4 - 5 раз, а при 300⁰С - в 2 раза.

Низкотемпературного отпуска стали 35ХГСА. Температура нагрева в пределе 130…240 ⁰С.

Общее время нагрева (время нагрева и выдержки) деталей при отпуске берётся из расчёта: низкий отпуск (температура 130…240 ⁰С - 3 минуты на 1 мм наименьшего размера наибольшего сечения, но не менее 30…40 минут; Время нагрева вала 60 минут. Структура мартенсит отпуска.



Выводы

При выполнении работы был сделан аналитический обзор, который содержит данные необходимые для выбора материала (марки стали) для изготовления вала диаметром 40 мм и твердостью HRC 40…50. Детально описаны требования к материалу и причины разрушения.

В работе приведена технология термической обработки сталей 45 и 35ХГСА.

Углеродистые стали обыкновенного качества не рекомендуются для изготовления валов электропривода, поскольку они не обладают достаточной прочностью и усталостной стойкостью, что может привести к их деформации и повреждениям при работе на высоких скоростях и нагрузках.



Список использованной литературы

1. Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И. Материаловедение. Учебник для вузов. - СПб.: ХИМИЗДАТ, 2007. - 784 с.

2. Арзамасов В.Б., Черепахин А.А. Материаловедение. Учебник. - М.: Экзамен, 2009. - 352 с.: ил.

3. Марочник стали и сплавов - URL: http://splav-kharkov.com/choose_type.php.

4. Оськин В.А., Байкалова В.Н., Карпенков В.Ф. Практикум по материаловедению и технологии конструкционных материалов: Учебное пособие для вузов (под ред. Оськина В.А., Байкаловой В.Н.). - М.: КолосС, 2007. - 318 с.: ил.

5. Типовые режимы термической обработки сталей (Таблица) - URL: https://infotables.ru/promyshlennost-i-mashinostroenie/107-tablitsa-tipovye-rezhimytermicheskoj-obrabotki-stalej#hcq=RyKcvUr

6. Шмыков А.А. Справочник термиста: Издание второе / А.А. Шмыков - М.: Книга по Требованию, 2012. - 290 с.ISBN 978-5-458-42195-9

7. Центральный металлический портал РФ. Сталь 45. http://metallicheckiyportal.ru/ marki_metallov/stk/45.

8. Центральный металлический портал РФ. Сталь 35ХГСА. http://metallicheckiyportal.ru /marki_metallov/stk/35ХГС

Размещено на Allbest.ru

Карта технологического процесса термообработки стали 45

Карта технологического процесса термообработки	Марка и состав стали: сталь конструкционная легированная, хромоникелевая
Текст задания: Выбрать сталь для изготовления валов приводов оборудования нефтегазпереработки диаметром d=40 мм. По расчету, сталь для валов, соответственно, должна иметь твердость HRC 45-50. Указать: состав и марку выбранной стали; рекомендуемые режимы термической обработки; структуру после каждой операции термической обработки; механические свойства в готовом изделии. Можно ли применять углеродистую сталь обыкновенного качества для изготовления валов требуемого сечения и прочности?	Марка 45	Химический состав: C Si Mn Ni S P 0.42 - 0.5 0.17 - 0.37 0.5 - 0.8 до 0.3 до 0.04 до 0.25
		Механические свойства: НВ 170, ув=600 МПа, ут= 355 МПа
		Исходная структура: феррит+перлит
Номер операции	Наименование операции	Структура после каждой т/о	Температура операции, ?С	Время выдержки, мин	Среда охлаждения	Механические свойства в готовом состоянии
1	закалка	игольчатый мартенсит	785… 805	33	масло	ув = 900-1000 МПа, ут = 750-800 МПа КСУ = 590 кДж/м2
2	высокий отпуск	сорбит	500	35	масло
3	Закалка ТВЧ	мелкоигольчатый мартенсит	785… 805	0,2	масло	Поверхностный слой
4	Низкотемпера-турный отпуск	мартенсит отпуска	300	120	медленное охлаждение с печью	Твердость HRC50	Глубина закалки при нагреве ТВЧ равна 2…4 мм



Карта технологического процесса термообработки стали 35ХГСА

Карта технологического процесса термообработки	Марка и состав стали: сталь конструкционная легированная, хромоникелевая
Текст задания: Выбрать сталь для изготовления валов приводов оборудования нефтегазпереработки диаметром d=40 мм. По расчету, сталь для валов, соответственно, должна иметь твердость HRC 45-50. Указать: состав и марку выбранной стали; рекомендуемые режимы термической обработки; структуру после каждой операции термической обработки; механические свойства в готовом изделии. Можно ли применять углеродистую сталь обыкновенного качества для изготовления валов требуемого сечения и прочности?	Марка 35ХГСА	Химический состав: C Si Mn Ni S P 0.32 - 0.39 1.1 - 1.4 0.8 - 1.1 до 0.3 до 0.025 до 0.025
		Механические свойства: НВ 241, ув=660 МПа, ут= 490 МПа
		Исходная структура: феррит+перлит
Номер операции	Наименование операции	Структура после каждой т/о	Температура операции, ?С	Время выдержки, мин	Среда охлаждения	Механические свойства в готовом состоянии
1	Изотермичес-кая закалка	бейнит	860… 880	33	смеси калиевой и натриевой селитры, имеющей температуру 280-310 0С, охлаждение на воздухе	ув = 960-1110 МПа, ут = 860-1000 МПа КСУ = 560 кДж/м2
2	Низкотемпера-турный отпуск	Мартенсит отпуска	130… 240	60	медленное охлаждение с печью
						Поверхностный слой
						Твердость HRC40…50	На всю глубину детали.

Размещено на Allbest.ru

...